钕（Nd3?）离子掺杂的Cs?AgInCl?双钙钛矿在近红外（NIR）应用中的载流子动力学

《Optical Materials》：Charge Carrier Dynamics of Neodymium (Nd3+) Ion-Doped Cs 2AgInCl 6 Double Perovskite for NIR based Applications

采用高温固相法合成Ca3Y2Si3O12:Bi3+荧光粉，系统研究其结构特性及发光性能。通过调整激发波长实现色温连续调谐（5452K），热稳定性测试显示工作电流150mA时芯片中心温度稳定在40.2°C。该材料具有宽带发射（FWHM=174nm）、低能量损失（ Stokes shift=13818cm?1）和优异环境兼容性。

　　本研究聚焦于一种新型全光谱发光材料——Ca?Y?Si?O??:Bi3?磷光体的制备与性能分析。通过高温固相法合成该材料，并系统探讨了其结构特性、浓度与温度对发光性能的影响，以及在LED器件中的应用表现。实验结果表明，该磷光体能够实现从黄绿色到蓝色的连续光谱调控，同时展现出良好的热稳定性与高色渲染指数，为高功率白光LED的应用提供了新的可能性。

白光LED自上世纪90年代问世以来，凭借其高亮度、低能耗、长寿命以及环保等优势，迅速成为现代照明领域的重要技术。目前，磷光体转换型白光LED是实现白光发射的关键途径，其结构通常由一个LED芯片和多种磷光体组成。传统的白光LED制造技术多采用YAG（钇铝石榴石）黄色磷光粉与蓝光LED芯片的组合，这种技术成熟且成本较低，通过蓝光激发YAG磷光粉，产生黄色光，进而与蓝光混合形成白光。然而，这种方法存在一定的局限性，尤其是在色渲染指数（CRI）方面表现不足，导致白光中缺乏红色成分，影响了照明质量与应用场景的拓展。

为了弥补传统技术的不足，近年来研究人员探索了使用近紫外（NUV）芯片与蓝、绿、红三色磷光体结合的方式，以实现更接近自然光的白光发射。这种方法的优点在于能够充分利用UV光激发磷光体，避免蓝光对人眼的潜在伤害。然而，由于缺乏青色光成分，其CRI仍然无法达到理想水平。因此，开发一种能够克服上述缺陷的新型全光谱磷光体，成为当前研究的热点。

在磷光体的开发过程中，稀土离子（如Eu2?和Ce3?）因其独特的发光特性，常被用作激活剂。Eu2?和Ce3?能够通过4f-5d电子跃迁产生宽光谱的发射，这在白光LED领域具有重要应用价值。然而，这些离子也存在一些明显的缺点。首先，其4f-5d跃迁过程容易导致可见光范围内的再吸收现象，造成光子损失，降低能量转换效率。其次，它们的近紫外吸收能力较弱，难以在标准LED工作条件下实现高效的激发。这些限制使得稀土离子激活的磷光体在实际应用中表现出较低的发光效率和色差问题，从而限制了其在更广泛领域的应用。

相比之下，Bi3?离子因其独特的电子结构，被认为是更优的激活剂选择。Bi3?的电子配置为[Xe]4f?5d1?6s2，这使得其能够通过允许的自旋电偶极跃迁（1S? → 3P?）实现高效的近紫外吸收。这种特性不仅有助于提高磷光体的激发效率，还能避免稀土离子常见的再吸收问题，从而提升发光性能。此外，Bi3?离子的发光光谱具有良好的可调性，通过调节其在晶格中的配位环境，可以实现从紫外到近红外的宽范围发射，甚至可以实现蓝、青、绿、黄、红等多种颜色的发光。这一优势使得Bi3?成为实现高光谱覆盖、高发光效率和高色渲染指数的磷光体的理想激活剂。

Ca?Y?Si?O??（简称CYSO）作为一种具有硅酸盐结构的化合物，其晶体结构具有高度对称性和热力学稳定性，这为其作为磷光体的宿主材料提供了良好的基础。CYSO的晶格中存在多个阳离子位点，为激活剂离子的掺杂提供了丰富的选择空间。此外，CYSO具有适合的能带结构，能够有效吸收激发能量并将其转移至掺杂的激活剂离子，从而促进发光。此前，已有研究表明，Eu2?/Eu3?共掺杂的CYSO磷光体可以实现几乎覆盖整个可见光谱的宽光谱发射，使其成为白光LED应用的有前景材料。

然而，尽管CYSO基磷光体受到越来越多的关注，Bi3?激活的CYSO磷光体的研究仍处于初步阶段。因此，本研究首次系统地探索了Bi3?激活的CYSO磷光体的性能。实验合成了一系列CYSO:Bi3?（x = 0, 0.01, 0.02, 0.03, 0.05, 0.07）磷光体，并通过高温固相法对其结构和发光性能进行了深入分析。研究发现，该磷光体能够实现超宽光谱发射，其半高宽（FWHM）达到174 nm，同时具备非常大的斯托克斯位移（13818 cm?1），这有助于减少光子损失，提高能量转换效率。

在实际应用中，这种新型磷光体展现出优异的热稳定性。当将其应用于磷光体转换型LED器件时，其在150 mA电流驱动下，中心温度稳定在40.2 °C，表明其在高功率条件下的良好性能。此外，实验制备的原型白光LED器件表现出CIE色坐标为（0.3353, 0.4062），色渲染指数高达81.27，相关色温为5452 K，这些参数均表明该磷光体能够实现高质量的白光发射，具备良好的照明性能。

更值得注意的是，通过调节激发波长，该磷光体能够实现从黄绿色（0.2682, 0.4070）到蓝色（0.2052, 0.2401）的连续光谱调控。这种特性源于其晶格中多个Bi3?中心的协同作用，使得不同激发条件下能够激活不同的发光中心，从而实现光谱的灵活调整。这种光谱调控能力不仅有助于提高白光LED的色温适应性，还能满足不同应用场景对光色的需求，如医疗照明、环境照明以及视觉舒适度提升等。

从应用角度来看，这种新型磷光体在健康照明、视觉舒适度提升和环保光源等领域具有广阔前景。健康照明需要能够模拟自然光的光源，以减少对人眼的不良影响，而视觉舒适度提升则要求光源能够提供更接近自然光的光谱分布。此外，随着人们对环保和可持续发展的重视，开发低能耗、低污染的照明材料也变得尤为重要。因此，Bi3?激活的CYSO磷光体不仅在技术性能上具有优势，而且在环保和可持续性方面也表现出色。

从材料科学的角度来看，Bi3?激活的CYSO磷光体的开发具有重要的理论意义。首先，该研究为磷光体的结构调控提供了新的思路，即通过精确的晶格工程实现多色发射。其次，该磷光体的高热稳定性和大斯托克斯位移表明，其在高温和高功率条件下的应用潜力较大。这些特性不仅有助于提高LED器件的性能，还能推动相关材料在更多领域的应用。

此外，该研究还揭示了Bi3?离子在磷光体中的行为规律。Bi3?离子的6s和6p轨道位于其最外层电子壳，因此其发射波长对周围晶格环境非常敏感。这种敏感性使得通过调节Bi3?的配位环境，可以实现光谱的精细调控。例如，通过改变Bi3?在晶格中的位置或与周围离子的相互作用，可以调整其发光波长，从而实现从黄绿色到蓝色的连续变化。这种调控能力不仅提高了磷光体的适用性，也为未来的多色LED器件设计提供了新的方向。

从技术发展角度来看，Bi3?激活的CYSO磷光体的开发为高光谱覆盖LED光源的实现提供了新的材料选择。传统的稀土离子激活磷光体虽然在某些方面表现出色，但其再吸收效应和低近紫外吸收能力限制了其在高功率和宽光谱应用中的表现。而Bi3?激活的CYSO磷光体则克服了这些缺陷，展现出更高的能量转换效率和更宽的光谱范围。这种材料的出现，不仅有助于提升白光LED的性能，还可能推动LED技术向更高效、更环保的方向发展。

从实际应用的角度来看，该磷光体在高功率LED器件中的表现尤为突出。在150 mA电流驱动下，其中心温度稳定在40.2 °C，表明其具有良好的热稳定性，能够在高功率条件下保持稳定的发光性能。这一特性对于高功率LED照明系统尤为重要，因为高温会导致材料性能下降，甚至引发热失稳问题。而Bi3?激活的CYSO磷光体能够在高功率下维持稳定，不仅提高了LED的可靠性，还延长了其使用寿命。

此外，该磷光体的高色渲染指数（81.27）表明其能够提供更接近自然光的光源，这对于需要高色温还原能力的应用场景（如艺术照明、植物生长灯等）具有重要意义。同时，其宽光谱发射特性也有助于减少光谱缺失，提高照明质量。这些优势使得该磷光体不仅适用于日常照明，还可能在医疗、农业、工业照明等领域发挥重要作用。

综上所述，Bi3?激活的CYSO磷光体的开发为白光LED技术提供了新的解决方案。其宽光谱发射、良好的热稳定性和高色渲染指数使其成为高功率、高性能照明材料的理想选择。同时，其在光谱调控方面的灵活性也为未来的多色LED器件设计提供了新的思路。未来的研究可以进一步优化其合成工艺，探索其在不同应用场景中的表现，并推动其在实际照明系统中的应用。这种新型磷光体的出现，不仅有助于提升LED技术的性能，也为实现更环保、更健康的照明方式提供了新的可能性。